机械设计基础第二章

第2章平面机构运动简图及自由度计算机械是替代人类完成各项体力劳动甚至脑力劳动的执行者。

在各种新型机械的设计初期，首先需要采用机械系统运动简图来对比各种运动方案及工作原理，一边从中选出最佳的设计方案。

然后再按照运动要求确定及其各组成构件的主要尺寸，按照强度条件和工作情况确定机构个部分的详细结构尺寸。

机械系统的运动简图设计是设计机械产品十分重要的内容，正确、合理地设计机械系统简图，对于满足机械产品的功能要求，提高性能和质量，降低制造成本和使用费用等是十分重要的。

机械系统要完成比较复杂的运动，一般都需要将若干个机构根据机械系统的运动协调配合的要求组合起来，因此机械系统的运动简图也是机构系统的运动简图。

机械系统的运动简图是用规定的符号，绘出能准确表达机构各构件之间的相对运动关系及运动特征的简单图形。

一般某机构可分为平面机构和空间机构。

平面机构是指各运动构件均在同意平面或相互平行平面内运动的机构。

空间机构是指虽有的机构不完全是相互平行的平面内运动的机构。

本章将着重介绍机构的结构分析。

第一节机构的组成构件任何机器都是由若干个零件组装而成的。

构件是指组成机械的各个相对运动的单元。

构件和零件的概念是有区别的。

构件是机械中的运动单元体，零件则是机械中不可拆分的制造单元体。

构件可以是一个零件，也可以是由两个或两个以上的零件组成。

如图2-1所示的内燃机中的连杆就是由单独加工的连杆体、轴套、连杆头、轴瓦、螺杆、螺母等零件组成的，这些零件分别加工制造，但是当它们装配成连杆后则作为一个整体在发动机内部作往复运动相互之间并不产生相对运动，因此连杆可以看做一个构件。

因此，从运动角度来看，任何机器都是许多独立运动单元组合而成的，这些独立运动单元体称为构件。

从加工制造角度来看，任何机器都是由许多独立制造单元体组合而成的，这些独立制造单元体称为零件。

通常，为了完成同一使命而在结构上组合在一起并协同工作的零件称为部件，如联轴器、减速器等。

通常，单个构件在和其他构件相互连接之前，在空间范围内可以产生6个相互独立的运动，即沿X, Y. Z轴方向的3个移动以及绕X, Y. Z轴的3个转动，如图2-2(a)所示。

可以认为，一个构件在三维空间内有6个自由度。

很显然，对于二维空间内的构件，在与其他构件连接之前有3个目由度。

如图2-2（b）所示，构件1具有3个相互独立的运动，即沿X 轴、Y轴方向的两个移动以及绕垂直于运动平面XOY轴线的一个转动，其他的运动形式都由这三种运动的叠加而成。

2.运动副事实上，在任何机器或机构内，构件和构件之间是以一定的方式相互连接的，机构中各个构件之间必须有确定的相对运动。

因此，构件的连接既要使两个构件直接接触，又能产生一定的相对运动，这种直接接触的、可以产生相对运动的活动连接称为运动副。

两构件上直接参与接触构成运动副的部分称为运动副元素。

例如，内燃机中活塞与汽缸之间的连接，它们既相互接触，同时又允许活塞在气缸内部往复移动，这种活动连接就是运动副。

可见构成运动副需要具备两个要素:两构件间的直接接触和相对运动。

如前所述，一个构件在平面内有3个自由度。

显然，当构件与另一个构件形成运动副后，另一个构件会对该构件的运动形式附加一定的约束，也就是原有构也就是原有构件将失去一定的自由度。

显然，一个构件对原有构件产生的约束数和它们之间的接触情况有关。

两个构件组成的运动副，就是通过点、线、面的直接接触而连接起来。

根据两个构件的运动关系，可分为平面运动副和空间运动副，这里着重介绍平面运动副。

平面运动副按照不同的接触情况，一般分为低副和高副两大类。

1)低副平面机构中的低副有转动副和移动副两种。

平面机构中的低副有转动副和移动副两种。

转动副:组成运动副的两构件只允许在某一个平面内作相对转动，这种运动副称为转动副，或称为铰链。

如图2-3 ( a)所示，构件1和2之间只能在两构件所形成的平面内绕轴发生相对转动，即只有1个自由度，而限制了另外两个方向的相对移动。

也就是说，转动副提供2个约束而保留1个自由度。

2)移动副:组成运动副的两构件只允许沿某一轴线相对移动，这种运动副称为移动副。

如图2-3 (b )所示，构件1和2之间只能沿着X-X轴向发生相对移动，即只有1个自由度，而限制了沿垂直于X轴方向的相对移动和另外一个相对转动。

也就是说，同转动副一样，移动副也提供2个约束而保留1个自由度。

2)高副两构件通过点或线接触而构成的运动副称为高副。

如图2-4 (a)所示的凸轮机构中，凸轮与尖端推杆之间为点接触。

主动件凸轮和从动件推杆形成高副后，推杆在该视图平面内一方面可以绕A点旋转，另一方面还可以沿公切线tt 平移，但两构件不能在保持接触的情况下沿着公法线nn发生相对移动。

也就是说，凸轮副提供1个约束，而保留2个自由度。

如图2-4 ( b)所示的齿轮机构中，轮齿1和2之间为线接触。

主动件轮齿1和从动件轮齿2形成高副后，轮齿1在该视图平面内一方而可以绕接触点旋转，另一方面还可以沿公切线tt平移，但两轮齿不能在保持接触的情况下沿着公法线nn发生相对移动。

也就是说，齿轮副提供1个约束，而保留2个自由度。

可见，两构件形成高副后，两构件间的相对运动为沿接触点/线的转动和沿轮廓公切线方向的移动，而限制了沿轮廓公法线方向的移动。

即平面高副保留了2个自由度，由于平面构件有3个自由度，所以仅提供1个约束。

可以看出，由于高副为点或线接触，与低副的面接触相比，在承受同样的载荷时，接触点或线附近的压强较高。

所以，高副的承载能力有限，磨损也比低副严重。

另外，由于低副为面接触，便于加工与润滑，成本较低;而高副的点接触不便于加工j及润滑，成本较高。

除上述平面运动副之外，各种机构中还会经常用到如图2-5所示的螺旋副和如图2-6所示的球面副。

这些运动副中两构件1和2之间的相对运动是空间运动，因此属于空间运动副。

3.机构机构是指具有确定相对运动的构件组合体。

也就是说，机构是由构件组合而成的，只要各构件之间具有确定的相对运动，那么就可以称为机构。

显然，任意拼凑起来的构件组合不一定能产生确定的相对运动，如图2-7所示的桁架，各构件之间显然不能相对运动，所以不能称为机构。

因此，构成机构需要具备三个要素:构件、运动副以及相对运动。

机构中的固定构件称为机架，一般机架相对地面固定不动，如图2-8中的构件4，机架上一般绘有斜线标记。

按照已知的运动规律而独立运动的构件称为原动件，如图2-8中的构件1,原动件的运动规律由外界给定或已知，如内燃机中的活塞。

另外，图2-8中构件1上绘有箭头标记，表明该构件为原动件，且此时的运动速度如箭头的指向所示。

其余的活动构件则称为从动件，如构件2和3，显然，从动件的运动规律取决于原动件的运动规律和机构的结构及尺寸。

机构常分为平面机构和空间机构两类，其中平面机构应用最为广泛，而且是空间机构的基础。

本章只介绍平面机构。

第二节平面机构运动简图运动副及构件的表示方法1)低副如图2-9 ( a)所示为转动副的几种表示方法，此时回转轴线垂直于图面。

小圆圈表示转动副，其圆心表示相对转动的轴线。

当图面不垂直于回转轴线时用图2-9 (b)表示。

当一个构件具有多个转动副时，则应在两条线交叉处涂黑，或在其内画上斜线，如图2-9 ( c )所示，这表示这是一个整体，即一个构件。

如图2-10所示为移动副的几种常见表示方法。

两构件组成移动副，其导路必须与相对移动方向一致。

2)高副两构件组成平面高副时，其运动简图中应画出两构件接触处的曲线轮廓，对于凸轮、滚子，习惯画出其全部轮廓，如图2-11 (a)所示。

对于齿轮，常用点画线画出其节圆，如图2-11 (b)所示。

3)构件构件常用直线段或小方块等来表示，其中直线段代表杆状构件，小方块代表块状构件。

各种构件的表示方法见表2-l 。

以上只列举了常见的运动副及构件的表示方法，其余的机构运动简图符号参见GB 4460-84“机构运动简图符号”。

2.平面机构运动简图的绘制如前所述，任何一个机构都是由若干构件组成的，这些构件可以分为三类:原动件、机架(即固定件)、从动件。

将机构中作用有驱动力或力矩的构件称为原动件，有时也可以把运动规律己知的构件称为原动件;机构中固结于参考系的构件称为机架，机构中除了原动件和机架以外的构件通称为从动件。

原动件用画箭头表示，而机架则用斜线表示。

绘制机械系统运动简图的步骤如下:(1)分析运动情况，确定构件的类型以及数目;(2)从原动件开始，按运动的传递顺序确定各运动副的类型及数目;(3)选择视图平面;(4)选取适当的比例尺定出各运动副间的相对位置;(5)用规定符号画出机构运动简图。

通常用阿拉伯数字表示出各构件，用大写英文字母表示出各运动副，并用绘制箭头的方式表示机构的原动件。

下面举例说明机构运动简图的绘制方法。

[例2-1]绘制如图2-12 (a )所示的颚式破碎机主体机构的运动简图。

解:（ 1 ）颚式破碎机的带轮5和偏心轴2一起绕回转中心A转动时，偏心轴z带动动颚板3运动。

由于在动颧板与机架1之间装有肘板4，动颚板运动时不断挫挤矿石。

由此分析可知，该机构是由机架1、原动件偏心轴z、从动件动颖板3和时板4这四个构件组成。

(2)偏心轴2、机架1组成转动副A,偏心轴2与动颚板3组成转动副B，动颚板3与肘板4组成转动副C,时板4与机架1组成转动副D整个机构共有4个转动副(3)图2-12 （a）所示视图平面和机构运动的瞬时位置，能够清笼地表达各构件的运动关系，所以按此绘制机构运动简图。

(4)选定转动副A的位置，然后根据各转动副中心间的尺寸，按选定比例尺确定转动副B.C及D的位置。

最后用规定符号绘出机构运动简图，如图2-12 ( b)所示这里，需要说明如下几点:（1）动颚板3与偏心轴2是绕2的几何中心B相对转动，而偏心轴2绕机架1的回转式以A为中心的，所以图2-12（b）所示的机构运动简图与原机构运动情况完全相同。

（2）由于转动副B可绕转动副A回转360°，所以转动副B要选在适当位置，避免构件互相重叠或交叉，以使运动简图能清晰表达出各构件之间关系。

（3）绘制机构运动简图时，机构运动简图中对运动没有影响的尺寸可以忽略，如杆件的截面形状，粗细等。

（4）有时只是为了表明机构的结果状况，也可以不必严格按比例尺来绘制简图。

（5）我们知道，任何一个机构都会随原动件的位置改变而改变，所以给的机构运动简图只是机构运动过程中某一瞬时状态。

第三节平面机构具有确定运动的条件所谓机构具有确定运动，是指该机构在原动件的运动给定后，所有从动件的运动都是完全确定的。

那么一个机构在什么条件下才能实现确定的运动呢?下面来分析几个例子。

在如图2-13所示的平面铰链四杆机构中，若给定一个独立的运动参数，如构件1的角位移，则可以通过简单的几何作图的方式来唯一地确定从动件—构件2及3的位置。